楊 杰,張 敏,李紅培

(1.四川省南充市順慶區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督管理站,四川 南充 637000;2.四川省嘉益房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司,四川 南充 637000;3.西南石油大學(xué)建筑工程學(xué)院,四川 成都 610500)

大量的震害調(diào)查和分析表明:要減輕房屋建筑的地震破壞,設(shè)計(jì)出一個(gè)合理、有效的抗震結(jié)構(gòu),僅僅依賴于計(jì)算分析是不夠的,往往更多地依靠良好的“抗震概念設(shè)計(jì)”。與“計(jì)算設(shè)計(jì)”相比,概念設(shè)計(jì)是指人們借助于地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)積累等形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想,進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)的總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)過程。概念設(shè)計(jì)內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛,貫穿結(jié)構(gòu)選型、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算簡圖抽象、計(jì)算結(jié)果處理、施工圖繪制等設(shè)計(jì)的整個(gè)過程[1]。地震作用的不確定性、現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)方法的固有缺陷以及計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展和普及,使得概念設(shè)計(jì)在建筑抗震設(shè)計(jì)中的重要性進(jìn)一步加強(qiáng)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施在一定程度上反映了一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)水平。

1 概念設(shè)計(jì)在抗震設(shè)計(jì)中的重要性

1.1 地震作用的不確定性

地震是在極其復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中孕育發(fā)生的,它的過程是高度非線性、極為復(fù)雜的物理過程。人類迄今為止對這一過程的了解很少。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)雖然突飛猛進(jìn),但仍然是“上天容易入地難”,人們還不能對地震孕育發(fā)生的 10～20km深處進(jìn)行直接觀測,即使是設(shè)在地表的間接觀測也十分稀疏。通常情況下,人們把危險(xiǎn)性分析中的不確定性按其來源,從客觀到主觀作 5個(gè)層次的劃分,即:地震固有的隨機(jī)性;理想模型相對于事物的不確定性;實(shí)際模型引入的不確定性;不完善的模型引入的不確定性和主觀傾向性引入的不確定性。對地震不確定性的分析和判定,是工程地震的重要內(nèi)容。地震作用強(qiáng)烈的不確定性,決定了在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中僅僅依靠現(xiàn)有的“計(jì)算設(shè)計(jì)”是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的,必須輔以必要的概念設(shè)計(jì),用以抵抗、消除地震作用的種種不確定性。

1.2 現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中的缺陷

《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2001)制定了二階段(彈性階段和塑性階段)的設(shè)計(jì)方法和三水準(zhǔn)(小震不壞、中震可修、大震不倒)的設(shè)防目標(biāo)[2],其先天缺陷在于中、小地震概念不明,大地震缺乏量化計(jì)算手段。在現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系下,小震不壞和中震可修可以通過“計(jì)算設(shè)計(jì)”使建筑物具有充足的延性來實(shí)現(xiàn);而對于大震,由于缺乏量化計(jì)算手段,其不倒的目標(biāo)只有通過概念設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。歷次地震教訓(xùn)告訴我們,地震中 90%以上的人員傷亡是由建筑物倒塌造成的。汶川地震后,如何通過工程手段實(shí)現(xiàn)真正意義上的“大震不倒”,一直是學(xué)術(shù)界和工程界研討的熱點(diǎn)和努力的方向[3]。好的概念設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)選型開始,就奠定了結(jié)構(gòu)體系明確的受力體系和良好的耗能能力,確保建筑物在遭遇大震時(shí)屹立不倒,更好地保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。與“計(jì)算設(shè)計(jì)”加大截面、增多配筋等辦法相比,好的概念設(shè)計(jì)顯得更加經(jīng)濟(jì)、合理,而且效果更加明顯。

此外,我國現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論采用以概率理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,與過去經(jīng)歷過的經(jīng)驗(yàn)估算法、容許應(yīng)力法及破損階段法相比,它更科學(xué)、更合理,但也存在一些缺陷或不可計(jì)算性,即它對具體空間結(jié)構(gòu)體系整體研究存在一定的局限性,只能視作近似概率法。為了彌補(bǔ)這一缺陷,或者實(shí)現(xiàn)對實(shí)際存在的大量無法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì),就必須用良好的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

1.3 設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)和普及

設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)和發(fā)展成熟,把結(jié)構(gòu)工程師從繁瑣的計(jì)算中解脫了出來,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從建立模型到出圖、打印,大量的計(jì)算開始由計(jì)算機(jī)承擔(dān),大大提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作效率和質(zhì)量。與此同時(shí),一種錯(cuò)誤的觀念也開始產(chǎn)生、蔓延:認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很簡單,只要遵循規(guī)范、手冊、圖集,等待建筑師給出一個(gè)非結(jié)構(gòu)性方案,即可使用計(jì)算機(jī)在某種設(shè)計(jì)下完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了。久而久之,計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件的普及客觀上造成了許多設(shè)計(jì)人員缺乏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念、對規(guī)范與軟件之間的缺乏了解,從而無法對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷。實(shí)際上,在計(jì)算機(jī)取代設(shè)計(jì)人員完成大量計(jì)算后,概念設(shè)計(jì)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)人員最重要的設(shè)計(jì)任務(wù),它在整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性進(jìn)一步得到加強(qiáng),對概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用水準(zhǔn),也逐漸成為判定一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)水平高低的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

2 概念設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

2.1 場地要求

地震對建筑物的破壞作用是通過場地、地基和基礎(chǔ)傳給上部結(jié)構(gòu)體系的。在具有不同工程地質(zhì)條件的場地上,建筑物在地震中的破壞程度是明顯不同的,故對于場地條件的選擇是抗震設(shè)計(jì)的第一步。一般選擇有利地段、避開不利地段,重要建筑不應(yīng)建在地震斷裂帶、條狀凸出的山嘴、高聳孤立的山丘等危險(xiǎn)地段,同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基土上,當(dāng)?shù)鼗熊涴ば酝?、液化土、新近填土或?yán)重不均勻土層時(shí),應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛度[5]。

2.2 平、立面布置

大量震害事實(shí)表明,規(guī)則、簡單、對稱的建筑平、立面布置震害較輕,原因在于規(guī)則、簡單、對稱的結(jié)構(gòu)體系受力明確,荷載傳遞路徑合理,結(jié)構(gòu)體系在地震作用下,始終保持良好的整體性,結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下共同、協(xié)調(diào)承受地震作用,從而提高建筑物承受地震作用的能力。根據(jù)規(guī)范的要求,平面宜簡單、規(guī)則、對稱、減少偏心,剛度中心與質(zhì)量中心盡量重合;質(zhì)量大的跨間不宜布置在結(jié)構(gòu)單元的邊緣,質(zhì)量大的設(shè)備宜布置在距剛度中心較近的部位;盡量少采用大懸挑結(jié)構(gòu);圍護(hù)結(jié)構(gòu)宜采用輕質(zhì)材料[6]、[7]。

2.3 多道抗震防線

“89規(guī)范”第一次提出了多道抗震防線的抗震設(shè)計(jì)要求,所謂多道抗震防線即指結(jié)構(gòu)體系是由若干個(gè)延性較好的分體系組成,并由延性好的連接構(gòu)件連接起來協(xié)同工作[8]。具有多道抗震防線的結(jié)構(gòu)體系具有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度和耗散大量地震能量的能力,在遭受罕遇地震時(shí)第一道防線可能遭受破壞,部分結(jié)構(gòu)退出工作(如框架結(jié)構(gòu)的填充墻、磚混結(jié)構(gòu)的磚砌體等),多道抗震防線將會避免因部分構(gòu)件破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系喪失抗震能力和承受荷載的能力,從而實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

2.4 構(gòu)件之間的連接

結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間連接的可靠性必須得到保證,結(jié)構(gòu)體系的整體性和穩(wěn)定性才能得到保障。例如:按照規(guī)范要求,砌體結(jié)構(gòu)中的預(yù)制空心板應(yīng)與圈梁或樓面大梁可靠拉結(jié),否則在地震作用下樓面板極易脫落,造成結(jié)構(gòu)局部或整體倒塌[9]。

3 結(jié) 論

(1)在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,地震及地面運(yùn)動高度的不確定性還難以精確地量化計(jì)算;結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范所采用計(jì)算理論本身也還有缺陷,尚不能充分反映地震時(shí)結(jié)構(gòu)反應(yīng)及破壞的復(fù)雜過程。上述原因決定了概念設(shè)計(jì)仍然是建筑抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,且隨著計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)和普及,其重要性得到了進(jìn)一步加強(qiáng),只有建立在正確的“概念設(shè)計(jì)”的基礎(chǔ)上并輔以必要的抗震計(jì)算而完成的抗震設(shè)計(jì),才能使結(jié)構(gòu)物具有較可靠的抗震性能。

(2)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行場地選擇和進(jìn)行平立面布置,在設(shè)置多道防線的同時(shí),保證構(gòu)件之間可靠的連接,是結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則,也是實(shí)現(xiàn)規(guī)范“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)的重要途徑和方法。

[1]尚守平,周福霖.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2003

[2]戴國榮,王亞勇.房屋建筑抗震設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[3]Hongpei Li,Hongling Sun,Peng Zhang.Analysis on Seismic Damagesof the School Buildings in the Wenchuan Earthquake and Seismic Isolation Design Recommendation in the Important Buildings Reconstruction[C].Wenhao Liang,Qiao Li,Bo Gao.Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering.2009

[4]陳剛.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,32(增刊)299-301

[5]樊永華.概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].陜西建筑,2008,34(12):84-85

[6]吳曉春.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)用[J].山西建筑,2006,32(15):60-61

[7]GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008年版)[S]

[8]馮漢颋.概念設(shè)計(jì)在抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].淮南師范學(xué)院學(xué)報(bào),2002,15(14):23-24

[9]王亞勇.地震建筑震害啟示 -抗震概念設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008,29(4):26-33